Mikrobe utfører rakettvitenskap, avgjørende for livet på jorden
Oversatt herfra.

Bilde 1. Cassini-utforsking ved Saturn (illustrasjon)

Anammox. Det er et godt begrep å lære. Wikipedia understreker viktigheten:
Anammox, en forkortelse for ANaerobic AMmonium OXidation, er en globalt viktig mikrobiell prosess i nitrogensyklusen. Bakteriene som medierte denne prosessen ble identifisert i 1999, og var på den tiden en stor overraskelse for det vitenskapelige miljøet. Det foregår i mange naturlige miljøer ...
Et team av europeiske forskere fant noe veldig interessant med bakteriene. Publiseringen i Nature -lenke, fortalte forskerne hvordan de fant ut strukturen til en molekylær maskin som utfører kjemisk magi ved hjelp av rakettvitenskap.

Bilde 2. En annen bakterie-flagell

-Anaerob ammoniumoksidasjon (anammox) har en viktig rolle i jordens nitrogensyklus og brukes i energieffektiv behandling av avløpsvann. Denne bakterieprosessen kombinerer nitritt og ammonium for å danne dinitrogen (N2) gass, og har blitt anslått å syntetisere opptil 50 % av dinitrogengassen som slippes ut i atmosfæren fra havene. Påfallende nok er anammox-prosessen avhengig av det høyst uvanlige, ekstremt reaktive mellomliggende hydrazinet, en forbindelse som også brukes som rakettdrivstoff på grunn av sin høye reduksjonskraft. Så langt er den enzymatiske mekanismen for syntetisering av hydrazin ukjent. Her rapporterer vi krystallstrukturen på 2,7 å oppløsning, så vel som biofysiske og spektroskopiske studier, av et hydrazinsyntase-multi-proteinkompleks isolert fra anammox-organismen Kuenenia stuttgartiensis.

Strukturen viser en langstrakt dimer -lenke av heterotrimerer, som hver har to unike c-type hemholdige aktive steder, samt et interaksjonspunkt for en redokspartner. Videre forbinder et system av tunneler disse aktive stedene. Krystallstrukturen innebærer en to-trinns mekanisme for hydrazinsyntese: en tre-elektron reduksjon av nitrogenoksid til hydroksylamin på det aktive stedet av y-underenheten og dens påfølgende kondensasjon med ammoniakk, noe som gir hydrazin i det aktive sentrum av α-underenheten . Våre resultater gir den første, så vidt vi vet, detaljerte strukturelle innsikt i mekanismen for biologisk hydrazinsyntese, som er av stor betydning for vår forståelse av omdannelsen av nitrogenholdige forbindelser i naturen.

Jobben til Anammox-bakterier
Dinitrogengass (N2) er en tøff nøtt å knekke. Atomene pares med en trippelbinding, veldig vanskelig for mennesker å bryte uten mye varme og trykk. Heldigvis gjør dette det veldig ikke-reagerbart i atmosfæren, men livet må komme i mål for å lage aminosyrer, muskler, organer og mer. Nitrogenaseenzymer i noen mikrober, som jordbakterier, er i stand til å bryte fra hverandre atomene ved omgivelsestemperaturer (en hemmelighet landbrukskjemikere gjerne vil lære). De 'fikserer' nitrogen til forbindelser som ammoniakk (NH3) som kan utnyttes av planter og dyrene som spiser dem. For å ha en nitrogensyklus må imidlertid noe returnere N2-gassen til atmosfæren. Det er jobben til anammox-bakterier.

Bilde 3. Nitrat-struktur

Mest nitrogen på jorden forekommer som gassformig N2 (nitrogenoksidasjonstall 0). For å gjøre nitrogen tilgjengelig for biokjemiske reaksjoner, må den ikke-reagerbare N2 omdannes til ammoniakk (oksidasjonstall -III), som deretter kan assimileres for å produsere organiske nitrogenforbindelser, eller oksideres til nitritt (oksidasjonstall +III) eller nitrat (+ V). Reduksjonen av nitritt resulterer i sin tur i regenerering av N2, og dermed sluttes den biologiske nitrogensyklusen.
La oss ta en titt på enzymet som gjør dette, "hydrazinsyntase-multiproteinkomplekset." Rakettdrivstoff; Forestill deg det! Ikke rart at det vitenskapelige miljøet ble overrasket. Formelen for hydrazin er N2H4. Den brukes ofte til å drive thrustere på romfartøyer, som Cassini Saturn orbiter og New Horizons-sonden til Pluto. Det er klart at anammox-bakteriene må håndtere denne svært reaktive forbindelsen med stor forsiktighet. Her er deres oversikt over reaksjonssekvensen. Legg merke til hvordan bakterien får litt ekstra fordel av kjemilaboratoriet sitt:

Vår nåværende forståelse av anammox-reaksjonen (ligning 1) er basert på genomiske, fysiologiske og biokjemiske studier på anammox-bakterien K. stuttgartiensis. Først reduseres nitritt til nitrogenoksid (NO, ligning 2), som deretter kondenseres med ammoniumavledet ammoniakk (NH3) for å gi hydrazin (N2H4, ligning 3). Hydrazin i seg selv er et svært uvanlig metabolsk mellomprodukt, siden det er ekstremt reaktivt og derfor giftig, og har et svært lavt redokspotensial (E0' = -750 mV). I det siste trinnet i anammox-prosessen oksideres det til N2, og gir fire elektroner (ligning 4) som fyller på de som trengs for nitritt-reduksjon og hydrazin-syntese og brukes til å etablere en proton-motorkraft over membranen til anammoxen. Organellen, anammoksosomet, som driver ATP-syntesen.

Bilde 4. Eks. på 'høne-egg' problem

Vi har diskutert ATP-syntase før. Det er den roterende motoren i alt liv som kjører på protonmotorkraft. Her ser vi at noen av protonene som trengs for ATP-syntese kommer fra hydrazin-reaksjonsmaskinen. Kult!

Hvordan ser Anammox-enzymet ut?
De sier det har tunneler mellom de aktive stedene. 'Hydrazinsyntase'-modulen er "biokjemisk unik." Ikke se etter en felles stamfar, med andre ord. Det er en del av et "tett koblet multikomponentsystem" de bestemte når de belyste en celle og så dens reaktivitet stupe. Høres ut som det biokjemikeren Michael Behe vil kalle et irredusibelt komplekst system.

Artikkelens diagrammer av hydrazinsyntase (HZS) viser flere proteindomener sammenføyd i en "halvmåneformet dimer -lenke av heterotrimerer" merket alfa, beta og gamma, sammensatt i par. Maskinen inneholder også flere hem-enheter (som de i hemoglobin, men unike) og "ett sinkion, samt flere kalsiumioner." Det er bra at disse atomene er tilgjengelige i jordskorpen.

Bilde 5. Calvin-Crebbs syklus (ATP)

Hvordan virker det?
En del av maskinen ser ut som en seksbladet propell. En annen del har syv blader. Alt er koordinert for forsiktig å overføre elektroner rundt det. Dette betyr at ladningsfordelinger er sterkt kontrollert for redoks (reduksjon-oksidasjon) reaksjoner (dvs. de som mottar eller donerer elektroner). Valget av adverb tyder på at øynene deres lyste opp da de først så denne fantastiske maskinen. Legg merke til hvordan følelser krydrer sjargongen:
-Interessant nok avslørte krystallstrukturen vår en tunnel som forbinder heme αI og -γI-stedene (fig. 3a). Denne tunnelen forgrener seg mot overflaten av proteinet omtrent halvveis mellom hemstedene, noe som gjør dem tilgjengelige for substrater fra løsningsmidlet. Faktisk viser bindingsstudier at hem αI er tilgjengelig for xenon (utvidet data fig. 4c). Interessant nok, mellom α- og γ-underenhetene, blir tunnelen tilnærmet av en 15-aminosyre-lang løkke av β-underenheten (β245-260), som plasserer den konserverte βGlu253, som binder et magnesiumion, inn i tunellen.

Vi må lage en annen animasjon for å vise maskinen i aksjon, men her er en kort beskrivelse av hvordan den fungerer. De to aktive stedene, forbundet med en tunnel, ser ut til å fungere i rekkefølge. HZS får elektroner fra cytokrom c, et velkjent enzym. Elektronene kommer inn i maskinen gjennom en av hem-enhetene, hvor en spesifikt plassert gamma-enhet legger til protoner. En "klynge av begravde polare rester" overfører protoner til det aktive sentrum av gamma-underenheten. Et molekyl kalt hydroksylamin (H3NO) diffunderer inn i det aktive stedet, assistert av beta-underenheten. Den binder seg til en annen hem-enhet, som nøye plasserer den slik at den "bindes i en tett, meget hydrofob lomme, slik at det er liten elektrostatisk skjerming av den delvise positive ladningen på nitrogenet." Ammoniakk kommer deretter inn for å gjøre et "nukleofilt angrep" på nitrogenet i molekylet, og gir hydrazin. Hydrazinet er da i posisjon til å unnslippe via tunnelgrenen som fører til overflaten. Da de hadde bestemt denne sekvensen, gikk det et lys opp:

-Interessant nok er den foreslåtte ordningen analog med Raschig-prosessen som brukes i industriell hydrazinsyntese. Der blir ammoniakk oksidert til kloramin (NH2Cl, nitrogenoksidasjonstall -I, som i hydroksylamin), som deretter gjennomgår komproporsjonering med et annet ammoniakkmolekyl for å gi hydrazin. (Men det, vet vi alle, er gjort ved intelligent design.)

Bilde 6. Eks. på Ikke-reduserbar kompleksitet

Så her er noe du kan meditere på når du trekker inn pusten. Nitrogengassen som kommer inn i lungene dine er et biprodukt av en utsøkt designet, presisjons nanomaskin som kan mye om organisk redokskjemi og sikker håndtering av rakettdrivstoff. Denne lille maskinen, som også vet hvordan den skal resirkulere og gjenbruke alle delene på en bærekraftig "grønn" måte, holder nitrogenet i balanse for hele planeten. Spennende. Interessant. Som Mr. Spock kunne si, fascinerende.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert i 2015 av David Coppedge.